Фазовая дальномерная РСДН

Принцип определения местоположения самолета на плоскости с помощью дальномерной РСДН показан на рис. 3.49.

Первая (ОС-1) и вторая (ОС-2) опорные станции излучают радиосигналы. Самолетная радиоприемная аппаратура принимает эти радиосигналы и по ним определяет дальности и до каждой из опорных станций. Поскольку местоположение ОС-1 и ОС-2 известно на борту, достаточно построить отрезки двух окружностей ( и ) с центрами в точках расположения ОС-1 и ОС-2, чтобы вычислить координаты самолета, которые соответствуют координатам точки пересечения этих отрезков.

Рис. 3.49. Определение местоположения самолета на плоскости с помощью дальномерной РСДН: ОС-1 – первая опорная станция; ОС-2 – вторая опорная станция

В реальных условиях, когда самолет летит в пространстве, необходимо иметь не две опорные станции, а три. Тогда координаты точки пересечения трех сфер (уравнения которых: , , ; значения измеряются бортовой аппаратурой) окажутся координатами местоположения самолета.

Данная дальномерная РСДН будет называться фазовой, если дальности () до соответствующих опорных станций будут измеряться фазовым методом.

Суть фазового метода дальнометрии сводиться к следующему.

Пусть любая из опорных станций излучает гармонический радиосигнал частоты :

, (3.67)

а один из бортовых генераторов (синхронизированных с генератором опорной станции) вырабатывает радиосигнал той же частоты с той же начальной фазой :

. (3.68)

Тогда в момент прихода на самолетную радиоаппаратуру излученный опорной станцией радиосигнал (3.4.1) будет иметь вид:

, (3.69)

где – расстояние «опорная станция – самолет»; в этом случае бортовой измеритель разности фаз вычислит, сравнивая колебания (3.4.2) и (3.4.3), величину

(3.70)

откуда величина дальности R будет получена в виде:

, (3.71)

где – длина волны колебаний (3.67) – (3.70).

Недостатком фазового метода является его возможная неоднозначность, именно – если разность фаз колебаний, поступивших на вход измерителя разности фаз, будет включать в себя целое число величин (т.е. , где ), то данный измеритель определит лишь значение . Иными словами, условием правильной работы РСДН является требование

, (3.72)

что соответствует соотношению

. (3.73)

Если дальность и длина волны колебания, излучаемого опорной станцией, не удовлетворяет неравенству (3.73), то следует использовать колебания с большей длиной волны (с меньшей частотой).

Традиционным для работы фазовых дальномеров РСДН является частотный диапазон 10...14 кГц. Излучение наземных опорных станций осуществляется именно в этом диапазоне (рис. 3.50). При этом интервал однозначно измеряемых дальностей для самой низкой частоты (10,2 кГц) составляет величину около 29,5 км. Разумеется, для самолетов, находящихся на расстоянии, скажем, 1000 км от опорной станции выполнить однозначную дальнометрию оказывается невозможным.

Одним из путей, ведущих к однозначному измерению дальностей, является понижение частоты излучаемого радиосигнала. Однако этот путь является неприемлемым. Дело в том, что антенны наземных опорных станций, излучающие колебания в диапазоне 10...14 кГц, представляют собой вертикальные мачты высотой в несколько сот метров, и дальнейшее снижение частоты излучаемого радиосигнала может привести только к увеличению их размеров. Поэтому используют иное техническое решение – перевод частоты на более низкую, что и выполняется в бортовой аппаратуре.

Рассмотрим рис. 3.50, а.

Каждая из трех (для однозначного определения местоположения самолета в пространстве дальномерным способом) наземных опорных станций ОС-1, ОС-2 и ОС-3, расположенных на значительном (сотни и тысячи километров) удалении друг от друга, излучает в пространство радиоимпульсы длительности порядка одной секунды. Работа ОС-1, ОС-2 и ОС-3 жестко (с помощью высокостабильных эталонов времени) синхронизирована между собой. Каждая из опорных станций излучает в данный момент радиоимпульс только с одной частотой заполнения, не совпадающей с частотами излучения других опорных станций – это необходимо для предотвращения интерференции колебаний в точке приема, т.е. в конечном итоге, для устранения искажений измеряемых фаз.

Рис. 3.50. Формат (а) радиосигналов, излучаемых тремя (ОС-1, ОС-2 и ОС-3) опорными станциями для фазовой дальномерной РСДН, и внешний вид (б) радиоколебания, соответствующего одному из фрагментов (13,6 кГц)

Последовательность излучаемых частот определена заранее в пределах длительности одного цикла и не изменяется в процессе работы фазовой дальномерной РСДН.

Когда самолет входит в зону действия всех трех наземных опорных стаций, начинается режим собственно дальней навигации указанного летательного аппарата. Однако в указанный момент входа синхронизация работы бортового устройства с радиосигналами опорных станций отсутствует. Чтобы ее установить, в бортовой аппаратуре используется специальный сигнал – последовательность видеоимпульсов, являющаяся временной копией излучаемого опорными станциями

радиосигнала. Взаимное расположение двух последовательностей (принятой на, борту и продетектированной, а также сформированной в бортовой аппаратуре) видеоимпульсов в момент начала синхронизации показано на рис. 3.51. По интервалу смещения этих последовательностей можно судить о дальности до той или иной наземной опорной станции. В дальнейшем бортовая аппаратура устраняет (путем перемещения опорной последовательности видеоимпульсов) интервал , и определение местоположения движущегося самолета проходит в штатном режиме работы РСДН.

Рис. 3.51. Видеоимпульсные последовательности в фазовой дальномерной РСДН: а – принятая; б – опорная.

Упрощенная структурная схема бортовой аппаратуры фазовой дальномерной РСДН приведена на рис. 3.52.

Рис. 3.52. Упрощенная структурная схема бортовой аппаратуры фазовой дальномерной РСДН

Здесь: 1 – антенный коммутатор; 2 – первое радиоприемное устройство; 3 – второе радиоприемное устройство; 4 – третье радиоприемное устройство; 5 – коммутатор выходов радиоприемных устройств; 6 – первый измеритель разности фаз; 7 – второй измеритель разности фаз; 8 – третий измеритель разности фаз; 9 – эталонный генератор; 10 – блок деления частоты и синхронизации; 11 – бортовая электронная цифровая вычислительная машина

Электромагнитные радиосигналы трех частот (10,2 кГц; 11,33 кГц: 13,6 кГц;), излученные тремя наземными опорными станциями, принимаются на борту самолета с помощью двух рамочных антенн. Далее эти радиосигналы с помощью антенного коммутатора 1 направляются на входы трех (по числу опорных станций) радиоприемных устройств 2, 3, 4, каждое из которых настроено на одну из трех частот указанных радиосигналов. Переключения, выполняемые данным коммутатором, осуществляется в такт с радиоимпульсами, заполненными той или иной частотой. Типовые значения массо-габаритных показателей антенного коммутатора: масса – 17 кг, площадь – 290х165 мм², высота – 30 мм.

Каждое из трех радиоприемных устройств реализовано по схеме двойного преобразования частоты, в результате которого фазовые сдвиги всех принятых радиосигналов переводятся на общую для всех трех устройств частоту – равную, например, 200 Гц (длина волны 1500 км). На выходе радиоприемных устройств установлен коммутатор 5, переключающий выходы данных устройств (аналогично коммутатору 1).

Радионапряжения частот 200 Гц с различными фазами подаются от коммутатора 5 на первые входы соответствующих измерителей разностей фаз 6, 7, 8. На вторые входы тех же измерителей поступает радионапряжение частоты 200 Гц, полученное путем деления частоты эталонного (построенного на основе рубидиевого стандарта частоты) генератора 9 в блоке 10, который, помимо функции деления частоты, выполняет еще и синхронизацию работы узлов бортовой аппаратуры фазовой дальномерной РСДН.

Ботовые сигналы измерителей разности фаз в виде цифровых кодов вводятся в бортовую ЭЦВМ 11, где производится расчет местоположения (чаще всего – долгота и широта) самолета.

Рассмотрим более подробно работу измерителя разности фаз. Его структурная схема и эпюры изображены на рис. 3.53.

Напряжение с выхода коммутатора 5 подается на вход первого формирователя отсчетных импульсов 12. Данные отсчетные импульсы вырабатываются этим формирователем в те моменты времени, когда напряжение пересекает нулевой уровень снизу вверх (при смене знака полярности с отрицательного на положительный).

На другой вход рассматриваемого измерителя поступает напряжение , полученное на выходе блока деления частоты 10. Данное напряжение вводится как на вход второго формирователя отсчетных импульсов 13, так и через фазосдвигающее (на 90º) устройство (это напряжение обозначено как ) на вход третьего формирователя отсчетных импульсов 15. Отсчетные импульсы на выходах формирователей 13 и 15 вырабатываются аналогично созданию отсчетных импульсов на выходе формирователя 12 – в моменты времени, когда входное напряжение пересекает нулевой уровень снизу вверх.

Рис. 3.53. Структурная схема (а) измерителя разности фаз и эпюры (б), поясняющее его работу: 12 – первый формирователь отсчетных импульсов; 13 – второй формирователь отсчетных импульсов; 14 – фазосдвигающее (на 90º) устройство; 15 – третий формирователь отсчетных импульсов; 16 – первый формирователь временного интервала; 17 – первый счетчик; 18 – второй формирователь временного интервала; 19 – второй счетчик; 20 – генератор счетных импульсов; 21 – вычислительный блок

Наличие двух напряжений ( и ) объясняется тем обстоятельством, что разность фаз между напряжениями с выходов радиоприемного устройства и делителя может быть как положительной, так и отрицательной. В обоих случаях она должна быть вычислена, и соответствующий алгоритм имеет вид:

, (3.74)

где и – величины ортогональных (сдвинутых на 90º по фазе) составляющих напряжения в системе прямоугольных (декартовых) координат, образованных опорными напряжениями и .

Разложение напряжения на косинусную и синусную составляющие выполняется (в цифровом варианте) в первом 16 и втором 18 формирователях временных интервалов, а значения величин, и в цифровой форме (в виде двоичных кодов) образуются в первом 17 и втором 19 двоичных счетчиках. Эти операции организованы с учетом счетных импульсов, следующих с высокой (порядка 2,5 МГц) частотой повторения, которые вырабатывает генератор счетных импульсов 20. Данные счетные импульсы заполняют (в формирователях 16 и 18) временные интервалы между отсчетными импульсами, соответствующим моментам пересечения нулевого уровня снизу вверх напряжений и (количество указанных счетных импульсов равно ) и напряжений и (в этом случае количество счетных импульсов равно ). Тогда на выходах двоичных счетчиков 17 и 19 будут выработаны двоичные коды и величин и . Если, например, величина =37, то =100101.

Окончательное выражение для вычисления разности фаз в цифровом виде (т.е. величины ), аналогичное алгоритму (3.74)

, (3.75)

где есть двоичный код величины . Расчет значения согласно соотношению (3.75) выполняет вычислительный блок 21.

Таково краткое описание работы измерителя разности фаз.

Приведем некоторые тактико-технические характеристики фазовой дальномерной РСДН.

- дальность действия, тыс. км до 10

- при восьми наземных опорных станциях глобальная

- расстояние между соседними опорным станциями, тыс. км до 15

- излучаемая мощность на частоте 10,2 кГц (при мощности

передатчика 150 кВт), кВт 10

- чувствительность радиоприемного устройства, мкВ 5

- время поиска, мин 0,3…2,0

- потребляемая мощность (от сети 115 В, 400 Гц), В*А 66

- объем приемно-вычислительного блока, дм³ 18,4

- масса комплекта, кг 15,73

- средняя наработка до отказа, ч 5800